基于实测数据的单点系泊系统钢缆触地分析

王伟,李牧,刘学涛,李鹏,刘诗学,齐晓亮

(1.中海油能源发展股份有限公司,北京 100010;2.中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司,天津 300452)

系泊系统作为FPSO重要的设备设施,包括塔架式系泊系统、多点系泊系统和单点系泊系统等多种形式。单点系泊系统由于采用“点系泊”方式,具有良好的风向标效应,能有效抵抗恶劣的环境,因此常被应用于我国南海等深海海域。单点系泊系统的系泊缆由多个构件组成,包括锚链、浮筒、配重块、钢缆、锚桩等组件。在钢缆与海底接触的管理规范上,BV船级社、DNV船级社等知名船级社的基本要求为:作业条件下钢缆不应与海底接触;系泊缆锁接头不应出现在系泊缆触地点位置附近。但在实际运营过程中,由于超极限海况等因素,发现部分FPSO有上部钢缆触地、断丝、接头阳极丢失的情况。钢缆触地可能导致钢缆损坏,进而导致系泊系统事故的发生,如2005年Kumul buoy号、2006年南海胜利号、2009年南海胜利号、2011年Volve号均发生过系泊系统事故[1]。针对FPSO系泊系统钢缆触地问题,学者的研究集中于系泊缆配置方案[2],无损检测等新型检测技术[3],钢缆连接头末端的局部扭曲[4],内转塔系泊系统系统的设计和维护[5],系泊缆触地点位置的疲劳寿命[6],钢缆接触分析的简化方法[7]。本文以南海某FPSO单点系泊系统为原型,基于系泊系统监测设备采集到的实测数据,对系泊系统开展时域动力分析,针对系泊系统中上钢缆触地现象进行自动识别和统计分析,为实际工程中的系泊系统完整性管理提供参考。

1 数值模型的建立

某FPSO作业于南海海域,作业水深105 m,其主尺度信息见表1。

表1 FPSO船体主尺度参数

应用AQWA对目标FPSO进行水动力分析,通过AQWA建立的满载工况下FPSO船体湿表面模型见图1。

图1 FPSO船体湿表面模型

目标FPSO采用单点系泊系统进行系泊定位,系泊系统布置示意图见图2。

图2 系泊系统布置示意

系泊系统由9根悬链线组成,采用3×3分组形式,每组间隔120°,组内每根系泊缆间隔为5°,系泊系统在设计之初考虑环境方向进行了优化,其中两组系泊缆长度较长,另一组朝西的7号、8号、9号系泊缆较短。每根系泊缆的组成及材料属性分别见表2、3。

表2 系泊缆组成

表3 系泊缆材料属性

Orcaflex是一款用于分析海洋结构动力学的软件,其内含python等自动化编程软件接口,并应用Orcaflex对FPSO系泊系统进行时域耦合分析,建立FPSO系泊系统数值模型。为了使数值模型更加准确,根据系泊系统海上安装完工报告提供的实际锚点安装位置、缆绳切割记录以及接头的详细图纸等资料,对数值模型进行修改。结果表明,满载工况下,完工状态系泊缆的预张力比设计状态系泊缆预张力减小50 kN,且完工状态系泊缆钢缆躺底更多,平衡位置向短链方向偏移。

2 基于实测数据的数值模拟

在传统的数值模拟分析中,一般通过对特定海洋结构物施加环境载荷的方式,计算海洋结构物在环境自然激励下的运动响应。但实测数据最能真实地反应系泊系统的响应情况,通过在Orcaflex中施加强制运动激励,让单点在实测运动的轨迹下进行强制运动,可以更加准确地还原真实环境条件下FPSO和系泊缆的真实运动响应。因此,通过在Orcaflex中施加实测运动激励,对系泊缆的动态响应进行计算,进而对上钢缆(UWS)末端的触地情况进行分析。

通过单点位置的横荡、纵荡、垂荡以及FPSO的艏向角数据可以基本确定FPSO的所处位置,针对这4个自由度的实测数据进行分析。以2016年3月1日19:00-22:00的3 h日常海况实测运动数据为输入,导入到Orcaflex进行数值模拟,3 h内的单点纵荡、横荡、垂荡以及FPSO艏向角变化曲线分别见图3。

图3 运动响应实测数据

3 结果分析

通过对Orcaflex数值模拟结果进行分析,发现9根系泊缆中上钢缆末端均有触地情况发生。为了进一步研究每根系泊缆上钢缆的触地情况,通过python编写程序调用Orcaflex数值模拟结果对9根系泊缆上钢缆末端在3 h内的触地次数和触地时长进行统计。

3.1 触地次数统计

系泊缆触地点处的弧长可以反应系泊缆的触地位置,提取9根系泊缆触地点处弧长结果,对系泊缆上钢缆触地次数进行分析。1号～9号系泊缆触地点处弧长见图4。

通过图4可以看出,1号～6号的触地点处弧长较长,7号～9号触地点处弧长较短,由于单点的位置更加偏向西向,7号～9号系泊缆的上钢缆触地长度最长可达70 m。

图4 各系泊缆触地点处弧长

由于完工文件与设计文件存在细微的差距,因此根据完工文件进一步修正模型。1号上钢缆下部末端的弧长为211.5 m,因此,当触地点处弧长小于211.5 m时,认为上钢缆已经发生触地。采用python编写程序对上钢缆末端触地情况进行自动识别和统计分析,得出1号系泊缆在3 h内上钢缆触地106次。同样的方法得出其余系泊缆在3 h内上钢缆的触地次数,结果汇总见表4。

表4 1号～9号系泊缆上钢缆触地次数统计

由表4可知,1号、2号、6号系泊缆上钢缆往复触地次数较多,7号、8号、9号系泊缆上钢缆往复触地次数较少。由于钢缆触地-抬起-触地的过程会加剧钢缆的磨损,造成钢缆锁接头脱落、钢缆断丝等问题,并对钢缆的疲劳性能也会产生一定影响。因此,在日后的检修和维护工作中应对1号、2号、6号系泊缆予以更多关注。

3.2 触地时长统计

上钢缆往复触地次数多少仅能反应钢缆触地-抬起-触地情况,但仅通过触地次数的多少并不能够全面的反映每根系泊缆的触地情况。如7号～9号系泊缆,虽然触地次数仅为1,但这是由于7号～9号系泊缆上钢缆末端一直处于触地状态,这显然不满足当前规范对避免钢缆与海底接触的相关要求。因此,除触地次数统计之外,有必要对9根系泊缆上钢缆末端的触地时长进行统计分析。通过python编写程序对上钢缆末端触地时长进行统计分析,得出1号系泊缆在3 h内上钢缆触地时长为8 710 s。以同样的方法得出其余系泊缆在3 h内上钢缆的触地时长,结果见表5。

表5 1号～9号系泊缆上钢缆触地时长统计

由表5可知,1号、3号、6号、7号、8号、9号系泊缆上钢缆末端触地时长较长,2号、4号、5号系泊缆上钢缆末端触地时长相对较短,应较为关注1号、3号、6号、7号、8号、9号这些系泊缆的上钢缆实际情况。

4 结论

本文基于南海某FPSO上系泊系统监测设备采集到的实测数据,应用Orcaflex建立数值模型,并通过python编写程序对系泊系统中系泊缆上钢缆末端的触地次数及触地时长进行统计分析。值得注意的是,该FPSO所在海域的环境方向主要是西向,系泊系统在设计之初也考虑环境方向进行了优化,两组系泊缆长度较长,另一组朝西的系泊缆较短,这与7号、8号、9号系泊缆上钢缆长期处于触地状态的情况相一致。因此无论从设计还是基于实测数据分析,1号和6号较其他系泊缆更容易出现钢缆磨损,钢缆锁接头脱落、钢缆松股、断丝等情况,在实际工程中应给予更多关注。